1、湖南冶金職業技術學院 （2010 屆）屆） 專科畢業設計（論文）專科畢業設計（論文） 基于三菱變頻器的武廣某站恒壓供水系統的電氣設計 學學 院（部）：院（部）： 電電氣與信息工程學院氣與信息工程學院 專專 業業： ： 機機電電一體化一體化 學學 生生 姓姓 名：名： 班班 級級： ：機機電電 0723 學號學號 40 指指導導教教師師姓名：姓名： 職職稱稱 副教授副教授 最最終評終評定成定成績績 2010 年 6 月 湖南冶金職業技術學院 畢 業 論 文 課 題： 基于三菱變頻器的武廣某站恒壓供水 系統的電氣設計 專 業： 機電一體化 班 級： 機電 0723 學 號： 40 姓 名： 指導教

2、師： 職稱： 副教授 完成時間： 2010-6-5 摘 要 隨著社會主義市場經濟的發展，人們對供水質量和供水系統可靠性的要求不斷提 高；再加上目前能源緊缺，利用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術，設計高 性能、高節能、能適應不同領域的恒壓供水系統成為必然的趨勢 本論文分析變頻恒壓供水的原理及系統的組成結構，提出不同的控制方案，通過 研究和比較，本論文采用變頻器和 plc 實現恒壓供水和數據傳輸，然后用數字 pid 對 系統中的恒壓控制進行設計。最后對系統的軟硬件設計進行了詳細的介紹。本論文設 計與實現通過 mcgs 進行數據傳輸的遠程網絡巡回監控系統。具體講述了系統的總體 設計與軟件的實現

3、，并對系統采取的可靠性措施進行了說明。 本論文的變頻恒壓供水系統已在國內許多實際的供水控制系統中得到應用，并取 得穩定可靠的運行效果和良好的節能效果。經實踐證明該系統具有高度的可靠性和實 時性，極大地提高了供水的質量，并且節省了人力，具有明顯的經濟效益和社會效益。 關鍵字：變頻調速；恒壓供水；plc；mcgs；監控系統 abstract with the rapid development of socialistic marketing economy,there is a growing demand for better quality of water supply and highe

4、r reliability of supply system. in addition ,considering the current common energy crisis, achieving the scheme of automatingthe water supply system. so it is an inevitable tendency to design and create an energy-savingconstant-pressure water supply system of excellent performance with the help of a

5、dvancedtechniques of automation,monitor- control system; and communication. meanwhile, the system can also adapt to various water supply regions. this paper analyzes the structure of vf speed regulating constant-pressure water supply,and proposes several control methods.by careful study and comparis

6、on, plc and inverters method fits water supply system and datatransmission very well. finally the paper shows the design of constant pressure supply water controller according to pid data and detailed introduction of its software and hardware.in this paper,the author designs and realizes the remote

7、monitor and control system through mcgs, and then illustrates its general design, software implement and the measures of preventable disturbance in details. the system, which has initially been completed with reliable performance and excellent energy-saving effect, proves to possess high reliability

8、 and real-time quality. the system can not only remarkably improve the quality of water supply, but also economize on labor, which will surely bring us both economic and social benefits. keywords: vf speed; constant pressure water supply; plc; mcgs; monitor and control- system 目 錄 第 1 章 緒論.1 1.1 武廣客

9、運站供水系統的要求.1 1.2 變頻恒壓供水產生的背景和意義.3 1.3 國內外研究概況.4 第 2 章 恒壓供水系統.6 2.1 變頻恒壓供水系統.6 2.2 課題研究的對象.7 2.3 變頻恒壓供水控制方式的選擇.7 2.4 變頻構成恒壓供水系統的及工作原理.9 2.4.1 系統的構成.9 2.4.2 工作原理.11 2.4.3 變頻恒壓供水系統中加減水泵的條件分析.12 2.5 主電路接線圖.13 第 3 章 器件的選型及介紹.14 3.1 可編程控制器.14 3.1.1 簡介 plc.14 3.1.2 plc 的特點.15 3.1.3 plc 的工作過程.15 3.1.4 plc 的選

10、型.16 3.1.5 plc 的接線.16 3.2 變頻器.17 3.2.1 變頻器的構成 .17 3.2.2 變頻器的特點.20 3.2.3 變頻器的選型.21 3.2.4 變頻器的接線.22 3.3 pid 調節器.22 3.4 壓力傳感器的接線圖.24 3.5 原件表.24 第 4 章 plc 控制及編程.26 4.1 plc 控制.26 4.1.1 手動運行.27 4.1.2 自動運行.27 4.2 編程及介紹.28 4.2.1 總程序的順序功能圖.28 4.2.2 自動運行順序功能圖.29 4.2.3 手動模式順序功能圖.29 4.2.4 程序說明.30 第 5 章 mcgs 組態軟

11、件.35 5.1 mcgs 組態軟件.35 5.1.1 mcgs 組態軟件的整體結構.35 5.1.2 mcgs 工程的五大部分.36 5.2 建立界面.37 5.2.1 建立窗口.37 5.2.2 定義數據對象 .37 5.3 編輯界面.39 5.3.1 編輯畫面 .39 5.3.2 對象元件的選擇.39 5.4 mcgs 與 plc 之間的連接 .40 5.4.1 添加 plc 設備.40 5.4.2plc 設備屬性的設置.42 結束語.44 參考文獻.45 致 謝.46 第 1 章 緒論 1.1 武廣客運站供水系統的要求 水是客運站不可缺少的重要組成部分，在節水節能己成為時代特征的現 實

12、條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來循環供水等方面技 術一直比較落后，自動化程度低。主要表現在用水高峰期，水的供給量常常 低于需求量，出現水壓降低供不應求的現象，而在用水低峰期，水的供給量 常常高于需求量，出現水壓升高供過于求的情況，此時將會造成能量的浪費， 同時有可能導致水管爆破和用水設備的損壞。在恒壓供水技術出現以前，出 現過許多供水方式。以下就逐一分析。 (1) 一臺恒速泵直接供水系統 這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往各用水點，嚴重影響 客運站公用管網壓力的穩定。這種供水方式，水泵整日不停運轉，有的可能 在夜間用水低谷時段停止運行。這種系統形式簡單、造價最低，但耗

13、電、耗 水嚴重，水壓不穩，供水質量極差。 (2) 恒速泵+水塔的供水方式 這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔的合理高度 是要求水塔最低水位略高于供水系統所需要壓力。水塔注滿后水泵停止，水 塔水位低于某一位置時再啟動水泵。水泵處于斷續工作狀態中。這種供水方 式，水泵工作在額定流量額定揚程的條件下，水泵處于高效能區。這種方式 顯然比前種節電，其節電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數、 水泵的開、停時間比、開/停頻率等有關。供水壓力比較穩定。但這種供水方 式基建設備投資最大，占地面積也最大;水壓不可調，不能兼顧近期與遠期的 需要；而且系統水壓不能隨系統所需流量和系統所需要壓

14、力下降而下降，故 還存在一些能量損失和二次污染問題。而且在使用過程中，如果該系統水塔 的水位監控裝置損壞的話，水泵不能進行自動的開、停，這樣水泵的開、停， 將完全由人操作，這時將會出現能量的嚴重浪費和供水質量的嚴重下降。 (3)射流泵十水箱的供水方式 這種方式是利用射流泵本身的獨特結構進行工作，利用壓差和來水管粗， 出水管細的變徑工藝來實現供水，但是由于其技術和工藝的不完善，加之該 方式會出現有壓無量(流量)的現象，無法滿足高層供水的需要。 (4) 恒速泵十高位水箱的供水方式 這種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設在建筑物的頂層。高層建筑 還可分層設立水箱。占地面積與設備投資都有所減少，但這對

15、建筑物的造價 與設計都有影響，同時水箱受建筑物的限制，容積不能過大，所以供水范圍 較小。一些動物甚至人都可能進入水箱污染水質。水箱的水位監控裝置也容 易損壞，這樣系統的開、停，將完全由人工操作，使系統的供水質量下降能 耗增加。 (5)恒速泵十氣壓罐供水方式 這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監測罐內壓力來 控制泵的開、停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放 在地上，設備的成本比水塔要低得多。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少 了水質因異物進入而被污染的可能性。但氣壓罐供水的方式也存在著許多缺 點，在介紹完變頻調速供水方式后，再將二者作一比較。 (6)變頻調速供水方式

16、 這種系統的原理是通過安裝在系統中的壓力傳感器將系統壓力信號與設 定壓力值作比較，再通過控制器調節變頻器的輸出，無級調節水泵轉速。使 系統水壓無論流量如何變化始終穩定在一定的范圍內.變頻調速水泵調速控制 方式有三種:水泵出口恒壓控制、水泵出口變壓控制、給水系統最不利點恒壓 控制。 出口恒壓控制 水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，使系統在運行過 程中水泵出口水壓恒定。這種方式適用于管路的阻力損失在水泵揚程中所占 比例較小，整個給水系統的壓力可以看作是恒定的，但這種控制方式在供水 面積較大的客運站應用時，由于管路能耗較大，在低峰用水時，最不利點的 流出水頭高于設計值，故水泵出口恒壓控

17、制方式不能得到最佳的節能效果。 出口變壓控制 水泵出口變壓控制也是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，但其壓力設定 值不只是一個。是將每日 24 小時按用水曲線分成若干時段，計算出各個時段 所需的水泵出口壓力，進行全日變壓，各時段恒壓控制。這種控制方式其實 是水泵出口恒壓控制的特殊形式。他比水泵出口恒壓控制方式能更節能，但 這取決于將全天 24 小時分成的時段數及所需水泵出口壓力計算的精確程度。 所需水泵出口壓力計算得越符合實際情況越節能，將全天分得越細越節能， 當然控制的實現也越復雜。 最不利點恒壓控制 最不利點恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統最不利點處;使系統在運行 過程中保持最不利點的壓力恒定

18、。這種方式的節能效果是最佳的，但由于最 不利點一般距離水泵較遠，壓力信號的傳輸在實際應用中受到諸多限制，因 此工程中很少采用。 變頻調速的方式在節能效果上明顯優于氣壓罐方式。氣壓罐方式依靠壓 力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運行時，水泵在額定轉速、額定流 量的條件下工作.當系統所需水量下降時，供水壓力將超出系統所需要的壓力 從而造成能量的浪費。同時水泵是工頻率啟動，且啟動頻繁，又會造成一定 的能耗。而變頻恒壓供水在系統用水量下降時可無級調節水泵轉速，使供水 壓力與系統所需水壓大致相等，這樣就節省了許多電能，同時變頻器對水泵 采用軟啟動，啟動時沖擊電流小，啟動能耗比較小。另外氣壓罐要消耗一定

19、 的鋼量，這也是它的一個較大的缺點。而變頻調速供水系統的變頻器是一臺 由微機控制的電氣設備，不存在消耗多少鋼材的問題。同時由于氣壓罐體積 大，占地面積一般為幾十平米。而變頻調速式中的調速裝置占地面積僅為幾 平米。由此可見變頻調速供水方式比氣壓罐供水方式將節省大量占地面積。 在運行效果上，氣壓罐方式與調速式相比也存在著一定差距。氣壓罐方式的 運行不穩定，突出表現在它的頻繁啟動。由于氣壓罐的調節容量僅占其總容 積的 1/3-1/6，因而每個罐的調節能力很小，只得依靠頻繁的啟動來保證供水， 這樣將產生較大的噪聲，同時由于啟動過于頻繁，壓力不穩，加之硬啟動， 電氣和機械沖擊較大，設備損壞很快。變頻調速

20、式的運行十分穩定可靠，沒 有頻繁的啟動現象，加之啟動方式為軟啟動，設備運行十分平穩，避免了電 氣、機械沖擊。在小區供水中，而且由于調速式是經水泵加壓后直接送往用 水點的，防止了的水質二次污染，保證了飲用水水質可靠。 由此可見，變頻調速式供水系統具有節約能源、節省鋼材、節省占地、 節省投資、調節能力大、運行穩定可靠的優勢，具有廣闊的應用前景和明顯 的經濟效益與社會效益。隨著社會經濟的迅速發展，水對人民生活與工業生 產的影響日益加強，人民對供水的質量和供水系統可靠性的要求不斷提高。 把先進的自動化技術、控制技術、通訊及網絡技術等應用到供水領域，成為 對供水系統的新要求。 1.2 變頻恒壓供水產生的

21、背景和意義 泵站擔負著工農業和生活用水的重要任務，運行中需大量消耗能量，提 高泵站效率:降低能耗，對國民經濟有重大意義。我國泵站的特點是數量大、 范圍廣、類型多、發展速度快，在工程規模上也有一定水平，但由于設計中 忽視動能經濟觀點以及機電產品類型和質量上存在的一些問題等等原因，致 使在技術水平、工程標準以及經濟效益指標等方面與國外先進水平相比，還 有一定的差距。目前，大量的電能消耗在水泵、風機負載上，城鄉居民用水 設備所消耗的電量在這類負載中占了相當的比例。這一方面是由于我國居民 多，用水量大，造成用電量大:另一方面是因為我國供水設備工作效率低，控 制方式不夠科學合理。造成不必要的能量浪費。因

22、此，研究提水系統的能量 模型，找出能夠節能的控制策略方法，這里大有潛力可挖，是減少能耗，保 障供水的一個很有意義的工作。 以變頻器為核心結合 plc 組成的控制系統具有高可靠性、強抗干擾能力、 組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點，變頻恒壓供水系統集 變頻技術、電氣技術、防雷避雷技術、現代控制、遠程監控技術于一體。采 用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便地實現供水系 統的集中管理與監控;同時系統具有良好節能性，這在能量日益緊缺的今天尤 為重要，所以研究設計該系統，對于提高企業效率以及人民的生活水平、降 低能耗等方面具有重要的現實意義。 1.3 國內外研究概況 變頻恒

23、壓供水是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的。在早期， 由于國外生產的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控 制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系 統中，變頻器僅作為執行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網 壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環 控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺 變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組 運行的情況，因而投資成本高。即 1968 年，丹麥的丹佛斯公司發明并首家生 產變頻器(丹佛斯是傳動產品全球五大核心供應商之一)后，隨著

24、變頻技術的 發展和變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優點 以及顯著的節能效果被大家發現和認可后，國外許多生產變頻器的廠家開始 重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的 abb 集團推出了 hvac 變頻技術，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固 定方式” ， “變頻泵循壞方式”兩種模式。它將 pid 調節器和 plc 可編程控制 器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現 plc 和 pid 等電 控系統的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電 磁接觸器工作，可構成最多七臺電機(泵)的供水系統。這類設備雖然說是微 化

25、了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系 統的動態性能和穩定性不高，與別的監控系統(如 ba 系統)和組態軟件難以實 現數據通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到 限制。 目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變 頻器控制水泵的轉速，水管的管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制， 有的采用可編程控制器(plc)及相應的軟件予以實現;有的采用單片機及相應 的軟件予以實現。但在系統的動態性能、穩定性能、抗干擾性能以及開放性 等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。原深圳華 為(現己更名為艾默生)電氣公司和成都希望

26、集團森蘭牌變頻器)也推出了恒 壓供水專用變頻器(2.2kw-30kw)，無需外接 plc 和 pid 調節器，可完成最多 四臺水泵的循壞切換、定時起動、停止和定時循環(月麥丹佛斯公司的 vlt 系 列變頻器可實現七臺水泵機組的切換)。該變頻器將壓力閉環調節與循環邏輯 控制功能集成在變頻器內部實現，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操 作不方便且不具有數據通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供 水場所。 可以看出，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統的研究設計中，對 于能適應不同的用水場合，結合現代控制技術、網絡和通訊技術同時兼顧系 統的電磁兼容性(emc)的變頻但壓供水系統的水壓閉環控

27、制的研究還是不夠的。 因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統的性能，使其能被更好的應 用于生活、生產實踐中。 采用變頻調節以后，系統實現了軟起動，電機起動電流從零逐漸增至額 定電流，起動時間相應延長，對電網沒有較大的沖擊，減輕了起動機械轉矩 對于電機的機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。這種調控方式以穩定 水壓為目的，各種優化方案都是以母管(市政來水管)進口壓力保持恒定為條 件。實際上，給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內變化。因此這種調控方 式縮小了優化范圍，所得到的解為局部最優解，不能完全保證泵站始終工作 在最優狀態. 變頻調速是優于以往任何一種調速方式(如調壓調速、變極調速、串級調

28、速等)，是當今國際上一項效益最高、性能最好、應用最廣、最有發展前途的 電機調速技術.它采用微機控制技術;電力電子技術和電機傳動技術實現了工 業交流電動機的無級調速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點。以變頻器 為核心結合 plc 組成的控制系統具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、 編程簡單、維修方便和低成本低能耗等諸多特點。 第 2 章 恒壓供水系統 2.1 變頻恒壓供水系統 隨著變頻技術的發展和人們對生活飲用水品質要求的不斷提高，變頻恒 壓供水系統以其環保、節能和高品質的供水質量等特點，廣泛應用于各種供 水系統中。變頻恒壓供水的調速系統可以實現水泵電機無級調速，依據用水 量的變化自動調節系統

29、的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿 足用水要求，是當今最先進、合理的節能型供水系統。在實際應用中如何充 分利用專用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻恒壓供水設備、降低成 本、保證產品質量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位 水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經濟性，還是系統 的穩定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優勢，而且具有顯 著的節能效果。目前變頻恒壓供水系統正向著高可靠性、全數字化微機控制、 多品種系列化的方向發展。追求高度智能化、系列化、標準化，是未來供水 設備適應城鎮建設中成片開發、智能樓宇、網絡供水調度和整體規劃要求的 必然趨

30、勢。 變頻恒壓供水系統能適用多種場合的供水要求，該系統具有以下特點: (1)供水系統的控制對象是用戶管網的水壓，它是一個過程控制量，同其 他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應具有滯 后性。同時用于水泵轉速控制的變頻器也存在一定的滯后效應。 (2)用戶管網中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵自身的 一些固有特性，使水泵轉速的變化與管網壓力的變化成正比，因此變頻調速 恒壓供水系統是一個線性系統。 (3)變頻調速恒壓供水系統要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系 統，而不同的供水系統管網結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異， 因此其控制對象的模型具有很強的

31、多變性。 (4)在變頻調速恒壓供水系統中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的 控制(包括定量泉的停止和運行)是時時發生的，同時定量泵的運行狀態直接 影響供水系統的模型參數，使其不確定性地發生變化，因此可以認為，變頻 調速恒壓供水系統的控制對象是時時變化的。 (5)當出現意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障 等)時，系統能根據泵及變頻器或軟啟動器的狀態，電網狀況及水源水位，管 網壓力等工況點自動進行切換，保證管網內壓力恒定。在故障發生時，執行 專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。 (6)水泵的電氣控制柜，其有遠程和就地控制的功能和數據通訊接口，能 與控制信號或控制軟

32、件相連，能對供水的相關數據進行實時傳送，以便顯示 和監控以及報表打印等功能。 (7)用變頻器進行調速，用調節泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節能效 果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了 啟動電流對電網的沖擊同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延 長了設備的使用壽命。 2.2 課題研究的對象 圖 2.1 供水流程簡圖 此次設計研究的對象是某武廣客運站的一棟樓房的供水系統。這棟樓有 10 層，由于高層樓對水壓的要求高，在水壓低時，高層用戶將無法正常用水 甚至出現無水的情況，水壓高時將造成能源的浪費。如圖 2.1 所示，是這棟 小樓的供水流程。自來水廠送來的水先儲

33、存的水池中再通過水泵加壓送給用 戶。通過水泵加壓后，必須恒壓供給每一個用戶。 2.3 變頻恒壓供水控制方式的選擇 目前國內變頻恒壓供水設備電控柜的控制方式有： 1邏輯電子電路控制方式 這類控制電路難以實現水泵機組全部軟啟動、全流量變頻調節，往往采 用一臺泵固定于變頻狀態，其余泵均為工頻狀態的方式。因此，控制精度較 低、水泵切換時水壓波動大、調試較麻煩、工頻泵起動時有沖擊、抗干擾能 力較弱，但其成本較低。 2單片微機電路控制方式 這類控制電路優于邏輯電路，但在應付不同管網、不同供水情況時，調 試較麻煩；追加功能時往往要對電路進行修改，不靈活也不方便。電路的可 靠性和抗干擾能力都不太好。 3帶 p

34、id 回路調節器或可編程序控制器(plc)的控制方式 該方式變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源。實現電機的無級調 速，從而使管網水壓連續變化。傳感器的任務是檢測管網水壓，壓力設定單 元為系統提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在 輸入可編程控后，經可編程控制器內部 pid 控制程序的計算，輸出給變頻器 一個轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入 pid 回路調節器，由 pid 回路調節器在調節器內部進行運算后，輸入給變頻器一 個轉速調節信號。 由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或 pid 回路調節器給出的， 所以對可編程控制器來講。既要有模擬

35、量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。 由于帶模擬量輸入，輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了 供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入，數字量輸出的可編程控制器，則 要在可編程控制器的數字量輸出口端另接一塊 pwm 調制板，將可編程控制器 輸出的數字量信號轉變為模擬量。這樣，可編程控制器的成本沒有降低，還 增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸 入，輸出的可編程控制器和一個 pid 回路調節器，其成本也和帶模擬量輸入， 輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，pid 控 制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環節。 4新型變頻

36、調速供水設備 針對傳統的變頻調速供水設備的不足之處，國內外不少生產廠家近年來 紛紛推出了一系列新型產品，如華為的 td2100；施耐德公司的 altivar58 泵 切換卡；sanken 的 samco i 系列；abb 公司的 acs600、acs400 系列產品； 富士公司的 giispiis 系列產品；等等。這些產品將 pid 調節器以及簡易可 編程控制器的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用的新型變頻器。 由于 pid 運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和 對 pid 算法的編程，而且 pid 參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產 成本，而且大大提高了生產

37、效率。由于變頻器內部自帶的 pid 調節器采用了 優化算法，所以使水壓的調節十分平滑，穩定。同時，為了保證水壓反饋信 號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號 進行換算，使系統的調試非常簡單、方便。 考慮以上四種方案后，此次設計采用第四種方案。如圖 2.2 所示。 圖 2.2 供水系統方案圖 2.4 變頻構成恒壓供水系統的及工作原理 2.4.1 系統的構成 圖2.3 系統原理圖 如圖 2.3 所示，整個系統由三臺水泵，一臺變頻調速器，一臺 plc 和一 個壓力傳感器及若干輔助部件構成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動 閥，以供維修和調節水量之用，三臺泵協調工作以滿足

38、供水需要；變頻供水 系統中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器(反饋 05v 電壓 信號)或壓力變送器(反饋 420ma 電流)；變頻器是供水系統的核心，通過改 變電機的頻率實現電機的無極調速、無波動穩壓的效果和各項功能。 從原理框圖，我們可以看出變頻調速恒壓供水系統由執行機構、信號檢 測、控制系統、人機界面、以及報警裝置等部分組成。 (1)執行機構 執行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網，圖 2.3 中的 3 個水泵分為二種類型: 調速泵:是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵，用以根據用水 量的變化改變電機的轉速，以維持管網的水壓恒定。 恒速泵:水泵運行只在工頻狀

39、態，速度恒定。它們用于在用水量增大而調 速泵的最大供水能力不足時，對供水量進行定量的補充。 (2)信號檢測 在系統控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報警信 號: 水壓信號:它反映的是用戶管網的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反 饋信號。 報警信號:它反映系統是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否 有異常。該信號為開關量信號。 (3)控制系統 供水控制系統一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(plc 系統)、變 頻器和電控設備三個部分。 供水控制器:它是整個變頻恒壓供水控制系統的核心。供水控制器直接 對系統中的工況、壓力、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的 數據信息

40、進行分析、實施控制算法，得出對執行機構的控制方案，通過變頻 調速器和接觸器對執行機構(即水泵)進行控制。 變頻器:它是對水泵進行轉速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來 的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。 電控設備:它是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開關等電氣元件組成。 用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換等。 (4)人機界面 人機界面是人與機器進行信息交流的場所。通過人機界面，使用者可以 更改設定壓力，修改一些系統設定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可 以從人機界面上得知系統的一些運行情況及設備的工作狀態。人機界面還可 以對系統的運行過程進行監示，對

41、報警進行顯示。 (5)通訊接口 通訊接口是本系統的一個重要組成部分，通過該接口，系統可以和組態 軟件以及其他的工業監控系統進行數據交換，同時通過通訊接口，還可以將 現代先進的網絡技術應用到本系統中來，例如可以對系統進行遠程的診斷和 維護等。 (6)報警裝置 作為一個控制系統，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統能適 用于不同的供水領域，所以為了保證系統安全、可靠、平穩的運行，防止因 電機過載、變頻器報警、電網過大波動、供水水源中斷、出水超壓、泵站內 溢水等等造成的故障，因此系統必須要對各種報警量進行監測，由 plc 判斷 報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。 2.4.2

42、 工作原理 合上空氣開關，供水系統投入運行。將手動、自動開關打到自動上，系 統進入全自動運行狀態，plc 中程序首先接通 km6，并起動變頻器。根據壓力 設定值(根據管網壓力要求設定)與壓力實際值(來自于壓力傳感器)的偏差進 行 pid 調節，并輸出頻率給定信號給變頻器。變頻器根據頻率給定信號及預 先設定好的加速時間控制水泵的轉速以保證水壓保持在壓力設定值的上、下 限范圍之內，實現恒壓控制。同時變頻器在運行頻率到達上限，會將頻率到 達信號送給 plc，plc 則根據管網壓力的上、下限信號和變頻器的運行頻率是 否到達上限的信號，由程序判斷是否要起動第 2 臺泵(或第 3 臺泵)。當變頻 器運行頻

43、率達到頻率上限值，并保持一段時間，則 plc 會將當前變頻運行泵 切換為工頻運行，并迅速起動下 1 臺泵變頻運行。此時 pid 會繼續通過由遠 傳壓力表送來的檢測信號進行分析、計算、判斷，進一步控制變頻器的運行 頻率，使管壓保持在壓力設定值的上、下限偏差范圍之內。 增泵工作過程：假定增泵順序為 l、2、3 泵。開始時，1 泵電機在 plc 控 制下先投入調速運行，其運行速度由變頻器調節。當供水壓力小于壓力預置 值時變頻器輸出頻率升高，水泵轉速上升，反之下降。當變頻器的輸出頻率 達到上限，并穩定運行后，如果供水壓力仍沒達到預置值，則需進入增泵過 程。在 plc 的邏輯控制下將 1 泵電機與變頻器

44、連接的電磁開關斷開，1 泵電機 切換到工頻運行，同時變頻器與 2 泵電機連接， 控制 2 泵投入調速運行。如 果還沒到達設定值，則繼續按照以上步驟將 2 泵切換到工頻運行，控制 3 泵 投入變頻運行。 減泵工作過程：假定減泵順序依次為 3、2、1 泵。當供水壓力大于預置 值時，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當變頻器的輸出頻率達到下限， 并穩定運行一段時間后，把變頻器控制的水泵停機，如果供水壓力仍大于預 置值，則將下一臺水泵由工頻運行切換到變頻器調速運行，并繼續減泵工作 過程。如果在晚間用水不多時，當最后一臺正在運行的主泵處于低速運行時， 如果供水壓力仍大于設定值，則停機并啟動輔泵投入調速運

45、行，從而達到節 能效果。 2.4.3 變頻恒壓供水系統中加減水泵的條件分析 在上面的工作流程中，我們提到當一臺調速水泵己運行在上限頻率，此 時管網的實際壓力仍低于設定壓力，此時需要增加恒速水泵來滿足供水要求， 達到恒壓的目的。當調速水泵和恒速水泵都在運行且調速水泵己運行在下限 頻率，此時管網的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少恒速水泉來減少 供水流量，達到恒壓的目的。那么何時進行切換，才能使系統提供穩定可靠 的供水壓力，同時使機組不過于頻繁的切換。 盡管通用變頻器的頻率都可以在 0-400hz 范圍內進行調節，但當它用在 供水系統中，其頻率調節的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當正 在

46、變頻狀態下運行的水泵電機要切換到工頻狀態下運行時，只能在 50hz 時進 行。由于電網的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制，50hz 成為頻率調節 的上限頻率。當變頻器的輸出頻率己經到達 50hz 時，即使實際供水壓力仍然 低于設定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實際供水壓力， 正如前面所講的那樣，只能夠通過水泵機組切換，增加運行機組數量來實現。 另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是 0hz。其實，在實際應用 中，變頻器的輸出頻率是不可能降低到 0hz。因為當水泵機組運行，電機帶動 水泵向管網供水時，由于管網中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機 一個反向的力矩，同時

47、這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網， 因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經抽不出水了，實際的供 水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應用中就是電機 運行的下限頻率。這個頻率遠大于 0hz,具體數值與水泵特性及系統所使用的 場所有關，一般在 20hz 左右。由于在變頻運行狀態下，水泵機組中電機的運 行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個下限頻率也就成為變頻器頻率調節的 下限頻率。 在實際應用中，應當在確實需要機組進行切換的時候才進行機組的切換。 所謂延時判別，是指系統僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的 要進行機組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必

48、須成立并且能夠維 持一段時間，如果在這一段延時的時間內切換條件仍然成立，則進行實際的 機組切換操作;如果切換條件不能夠維持延時時間的要求，說明判別條件的滿 足只是暫時的，如果進行機組切換將可能引起一系列多余的切換操作。 2.5 主電路接線圖 圖 2-4 水泵主回路接線圖 圖 2.4 主電路圖 電機有兩種工作模式即：在工頻電下運行和在變頻電下運行。km1、 km3、 km5 分別為電動機 m1 、m2 、m3 工頻運行時接通電源的控制接觸器， km0、 km2 、km4 分別為電動機 m1、m2、 m3 變頻運行時接通電源的控制接 觸器。 熱繼電器(fr)是利用電流的熱效應原理工作的保護電路，它

49、在電路中的 用作電動機的過載保護。 熔斷器（fu）是電路中的一種簡單的短路保護裝置。使用中，由于電流 超過允許值產生的熱量使串接于主電路中的熔體熔化而切斷電路，防止電氣 設備短路和嚴重過載。 第 3 章 器件的選型及介紹 3.1 可編程控制器 3.1.1 簡介 plc 可編程控制器是 60 年代末在繼電器系統上發展起來的，當時稱作可編程 邏輯控制器(programmable logic controller)，簡稱 plc。可編程控制器的 產生和發展與繼電器控制系統有很大的關系。繼電器是一種用弱電信號控制 強電信號的電磁開關，但在復雜的控制系統中，故障的查找和排除非常困難， 不適應于工藝要求發

50、生變化的場合。由此，產生了可編程控制器，它是以微 處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術，用面向控制 過程、面向用戶的簡單編程語句，適應工業環境，是簡單易懂，操作方便、 可靠性高的新一代通用工業控制器，是當代工業自動化的主要支柱之一。可 編程控制器具有豐富的輸入/輸出接口，并具有較強的驅動能力，但它的產品 并不針對某一具體工業應用，其靈活標準的配置能夠適應工業上的各種控制。 在實際應用中，其硬件可根據實際需要選用配置，其軟件則需要根據要求進 行設計。 圖3.1 plc的硬件結構框圖 可編程邏輯控制器，采用的是計算機的設計思想，最初主要用于順序控 制，只能進行邏輯運算。隨著微電子

51、技術計算機技術和通信技術的發展，以 及工業自動化控制愈來愈高的需求，plc 無論在功能上、速度上、智能化模塊 以及聯網通信上，都有很大的提高。現在的 plc 已不只是開關量控制，其功 能遠遠超出了順序控制、邏輯控制的范圍，具備了模擬量控制、過程控制以 及遠程通信等強大功能。美國電氣制造商協會(nema)將其正式命名為可編程 控制器(programmable controller)，簡稱 pc，但是為了和個人計算機 (persona1 computer)的簡稱 pc 相區別，人們常常把可編程控制器仍簡稱為 plc。 事實上與所有的器件一樣，plc 本身也有其局限性，它無法向操作者顯示 動態的設備

52、狀態參數，無法進行大批量數據的存貯與轉化，尤其是當系統工 藝改變時，無法方便、快速地改變相關參數、配方。因此，在現今的稍微復 雜一些的控制系統中，plc 通常與工業控制計算機配合使用，實現完整的控制 功能。 3.1.2 plc 的特點 現代可編程控制器不僅能實現對開關量的邏輯控制，還具有數學運算、 數學處理、運動控制、模擬量 pid 控制、通信網絡等功能。在發達的工業化 國家，可編程控制器已經廣泛的應用在所有的工業部門，其應用已擴展到樓 宇自動化、家庭自動化、商業、公用事業、測試設備和農業等領域。歸納可 編程控制器主要有以下幾方面的優點： 1）編程方法簡單易學 2）功能強，性能價格比高 3）硬

53、件配套齊全，用戶使用方便，適應性強 4）無觸點免配線，可靠性高，抗干擾能力強 5）系統的設計、安裝、調試工作量少 6）維修工作量小，維修方便 7）體積小，能耗低 3.1.3 plc 的工作過程 圖3.2 plc的掃描工作過程 plc 是在系統軟件的控制和指揮下，采用循環順序掃描的工作方式，其工 作過程就是程序的執行過程，它分為輸入采樣、程序執行和輸出刷新三個階 段，如圖 3.2 所示。 plc 在 i/o 處理方面必須遵守的規則如下： 輸入映像寄存器的數據，取決于輸入端子板在上一個刷新時間的狀態； 程序如何執行，取決于用戶所編的程序和輸入映像寄存器、元件映像 寄存器中存放的所需軟元件的狀態；

54、輸出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的狀態，由輸出指令的 執行結果決定； 輸出鎖存器中的數據，由上一個刷新時間輸出映像寄存器的狀態決定； 輸出端子上的輸出狀態，由輸出鎖存器中的狀態決定。 3.1.4 plc 的選型 水泵 m1、m2，m3 可變頻運行，也可工頻運行，需 plc 的 6 個輸出點，變 頻器的運行與關斷由 plc 的 1 個輸出點，控制變頻器使電機正轉需 1 個輸出 信號控制，報警器的控制需要 1 個輸出點，輸出點數量一共 9 個。控制起動 和停止需要 2 個輸入點，變頻器極限頻率的檢測信號占用 plc2 個輸入點，系 統自動/手動起動需 1 輸入點，手動控制電機的工頻/變頻運

55、行需 6 個輸入點， 控制系統停止運行需 1 個輸入點，檢測電機是否過載需 3 個輸入點，共需 15 個輸入點。系統所需的輸入輸出點數量共為 24 個點。本系統選用 fxos- 30mr-d 型 plc。 3.1.5 plc 的接線 圖3.3 plc的接線圖 y0 接 km0 控制 m1 的變頻運行，y1 接 km1 控制 m1 的工頻運行；y2 接 km2 控制 m2 的變頻運行，y3 接 km3 控制 m2 的工頻運行；y4 接 km4 控制 m3 的變 頻運行，y5 接 km5 控制 m3 的工頻運行。 x0 接起動按鈕，x1 接停止按鈕，x2 接變頻器的 fu 接口，x3 接變頻器的

56、ol 接口，x4 接 m1 的熱繼電器，x5 接 m2 的熱繼電器，x6 接 m3 的熱繼電器。 為了防止出現某臺電動機既接工頻電又接變頻電設計了電氣互鎖。在同 時控制 m1 電動機的兩個接觸器 km1、km0 線圈中分別串入了對方的常閉觸頭 形成電氣互鎖。頻率檢測的上/下限信號分別通過 ol 和 fu 輸出至 plc 的 x2 與 x3 輸入端作為 plc 增泵減泵控制信號。 3.2 變頻器 3.2.1 變頻器的構成 通常由變頻器主電路（igbt、bjt、或 gto 作逆變元件）給異步電動機提 供調壓調頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令 進行控制。而控制指令則根據外部

57、的運轉指令進行運算獲得。對于需要更精 密速度或快速響應的場合，運算還應包含由變頻器主電路和傳動系統檢測出 來的信號和保護電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的 損失外，還應保護異步電動機及傳動系統等。 圖3.4 變頻器的構成 1.主電路 給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖 3.5 所示是典型的電壓逆變器的例子，其主電路由三部分構成，將工頻電源變換 為直流功率的“整流器” ，吸引在整流和逆變時產生的電壓脈動的“平波回路” 以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器” 。另外，異步電動機需要制動時， 有時要附加“制動回路” 。 整流器 最近大量使用的是二極管的交流

58、器，圖 3.5 所示，它把工頻電源變換為 直流電源。可用兩組晶體管交流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆， 可以進行再生運轉。 平波回路 在整流器整流后的直流電壓中，含有電源 6 倍頻率的脈動電壓，此外逆 變器產生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電 壓吸收脈動電壓（電流） 。裝置容量小時，如果電源和主電路的構成器件有余 量，可以省去電感采用簡單的平波回路。 逆變器 同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所需要頻率的交流功 率，根據 pwm 控制信號使 6 個開關器件導通、關斷，就可以得到三相頻率可 變的交流輸出。 制動回路 異步電動機在再生制動區域使用時（轉差率

59、為負） ，再生能量儲存于平波 回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機械系統（含電動機）慣量 積蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時，可用由逆變流器向電 源反饋或設置制動回路（開關和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電 壓上升。 圖 3.5 典型的電壓型逆變器一例 2.控制電路 給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路， 稱為控制電路。如圖 3.4 所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的 “運算電路” ，主電路的“電壓/電流檢測電路” ，電動機的“速度檢測電路” ， 將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路” ，以及逆變器和電動機的“保 護電路” 。 在圖

60、 3.4 點劃線內，僅以控制電路 a 部分構成控制電路時，無速度檢測 電路，為開環控制。在控制電路 b 部分增加了速度檢測電路，即增加了速度 指令，可以對異步電動機的速度進行控制更精確的閉環控制。 控制電路主要包括： 運算電路 將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算， 決定逆變器的輸出電壓、功率。 電壓/電流檢測電路 與主電路電位隔離，檢測電壓、電流等。 驅動電路 為驅動主電路 器件的電路。它使主電路器件導通、關斷。 速度檢測電路 以裝在異步電動機軸上的速度檢測器（tg、plg 等）的信號為速度信號 送入運算回路，根據指令和運算可使電動機按指令速度運轉。 保護電路 檢測